CN103207095B - 结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构连贯性倒塌实验结构构件初始破断通用装置，所述装置由左侧端板、右侧端板、左侧双斜面钢头、右侧双斜面钢头、上部环箍、下部环箍、上部环箍夹板、下部环箍夹板、环箍圆轴和拉紧部件组成，所述拉紧部件由橡皮绳和橡皮绳连接件组成，或者由电动推杆、电动推杆固定件、推杆套件、钢拉锁、钢丝绳拉紧器和钢拉锁连接件组成，本发明是通过拉紧部件以剪刀夹环箍转动轴为支点，通过杠杆作用提供环箍对剪刀夹环箍夹持的两个双楔面钢头的径向压力，进而通过环箍与钢头之间配合表面的相互咬合承担轴力与弯矩。应用于大荷载工况下时，拉紧的钢索末端连在电动推杆上，触发破断时仅需电动推杆提供克服推杆与推杆套件之间的摩擦力即可实现破断。

Description

结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置

技术领域

本发明涉及结构工程领域中连续性倒塌试验研究，具体涉及一种结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置。

背景技术

建筑结构连续性倒塌试验的操作难点主要体现在如何实现结构构件的突然破断，引入的初始破断装置需要具有对拟破坏构件常规性质的非干扰性、触发后杆件失效的瞬时性、失效触发的可控性、破断的彻底性等特性。目前已有的初始破坏装置通常不能兼顾这些特性，主要体现在着眼于失效瞬时性的装置通常由外力触发，存在撞击等能量输入；而强调由静止开始突然破断的装置，破断的可控性和彻底性又往往存在问题。

发明内容

为克服现有初始破断装置的诸多不足，实现无能量输入的、可控的、彻底的结构构件破断，本发明的目的在于提供了一种结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置。该装置在破断未触发前能完整的传递构件内部轴力（拉、压）与弯矩，且可以通过焊接、栓接、螺纹连接等方式方便地与钢框架、混凝土框架、空间结构等多种形式的结构模型相结合，基本上适用于所有类型结构中所有构件的初始破断要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为了实现连续性倒塌试验中结构构件的突然破断，本发明的基本思路是将破断装置作为构件的一部分传递构件的内力，在破断命令触发后使装置的中间传力部件从装置上脱离并形成装置本身的破断。因此，本破断装置由两个相互分离的双斜面钢头（分别使用连接端板连接拟破断构件断开部分的两个断面）和将两个双斜面钢头紧固连接成一体的剪刀夹环箍（从装置上脱离形成空隙）组成。钢头外轮廓与剪刀夹环箍内表面在相对应位置上都采用双斜面构形，使得钢头与环箍可以相互配合，通过机械咬合可以传递拉力、压力和弯矩。剪刀夹环箍的夹板末端使用拉紧部件，以剪刀夹环箍的转动轴作为支点使环箍对钢头形成径向压力，进而在钢头受到由拟破断构件传递来的荷载时发展机械咬合力。触发破断时，使拉紧部件内的拉力瞬间消失，剪刀夹环箍即从装置上脱离，两侧的双斜面钢头彼此分离形成破断状态。在承受荷载较大时，拉紧部件可采用钢拉锁缠绕电动推杆中推杆伸出部分的持力方式，能在提供数吨的拉紧力的情况下安全、方便的操控装置破断。不同于已有采用“钢头+环箍”的仅适用于拟破断构件两端铰接的破断装置，本发明两个双斜面钢头之间留有距离可调整的间隙，间隙处的内力由钢环箍传递，因而在拟破断构件两端固接时仍可形成破断状态；而且使用“钢拉锁+电动推杆”作为拉紧部件可以使破断装置适用于以往装置所无法使用的大型试验。也不同于通过撞击或外力牵引实现破断的装置，使用本发明的结构构件的突然破断完全是由构件自身丧失承载能力造成的，没有无法预期的外力及能量输入。

本发明提出的结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置，由左侧端板3、右侧端板4、左侧双斜面钢头5、右侧双斜面钢头6、上部环箍7、下部环箍8、上部环箍夹板9、下部环箍夹板10、环箍圆轴11和拉紧部件12组成，其中：左侧双斜面钢头5通过左侧端板3与拟破断构件左侧部分1连接成一体，右侧双斜面钢头6通过右侧端板4与拟破断构件右侧部分2连接成一体，左侧双斜面钢头5与右侧双斜面钢头6之间留有适当空隙；上部环箍7与上部环箍夹板9焊接，下部环箍8与下部环箍夹板10焊接，上部环箍7和下部环箍8可以以环箍圆轴11为轴自由转动，形成类似“剪刀”的构造；上部环箍7与下部环箍8组合成封闭的环箍，环箍内部设有凸块，所述凸块与左侧双斜面钢头5和右侧双斜面钢头6上相应位置的卡槽进行咬合；上部环箍夹板9和下部环箍夹板10远离环箍圆轴11的一端之间设有拉紧部件12；所述拉紧部件12采用橡皮筋构造或钢拉锁和电动推杆组合构造。

本发明中，当拉紧部件12采用橡皮筋构造时，所述构造由橡皮绳14和橡皮绳连接件13组成，橡皮绳连接件13为两个，分别设置于上部环箍夹板9和下部环箍夹板10远离环箍圆轴11一端的相同位置上，两个橡皮绳连接件13之间通过橡皮绳14，拉紧部件12的拉紧力通过预先张拉橡皮筋获得。

本发明中，当拉紧部件12采用钢拉锁和电动推杆组合构造时，所述构造由电动推杆15、电动推杆固定件16、推杆套件17、钢拉锁18、钢丝绳拉紧器19和钢拉锁连接件20组成，其中：电动推杆固定件16固定于上部环箍夹板9远离环箍圆轴11的一端上，其上安装电动推杆15，电动推杆15的推杆穿过电动推杆固定件16上的圆孔伸出，伸出部分下方与上半部为半圆柱形凹槽的推杆套件17进行半圆形表面接触配合，推杆套件17的下半部分为另一方向的半圆柱形凹槽，用来固定钢拉锁18一端，钢拉锁18另一端连接钢丝绳拉器19，固定在钢拉锁连接件20上，钢拉锁连接件20固定于下部环箍夹板10远离环箍圆轴11的一端上。

本发明的有益效果是，可以在任意类型建筑结构连续性倒塌试验中，实现对处于任意受力状态下构件的无外力输入的破断。特别是对于足尺或小比例缩尺的结构试验，具有明显优于其他同类装置的特质。

附图说明

图1是本装置的轴视图。

图2是本装置的俯视图。

图3是本装置的正视图。

图4是本装置的后视图。

图5是本装置的侧视图。

图6是本装置中拉紧部件采用橡皮绳构造的示意图。

图7(a)是本装置中拉紧部件采用“钢拉锁+电动推杆”构造的示意图。

图7(b)是图7(a)的1-1剖面图。

图8是双斜面钢头与剪刀夹环箍在钢头轴线截面上的剖视图（咬合示意）。

图9是剪刀夹环箍与双斜面钢头之间传力的受力分析图。

图10是拉紧部件通过杠杆作用产生环箍径向压力的受力分析图。

图11是钢拉锁、推杆套件与电动推杆之间受力分析图。

图中标号：1.拟破断构件左侧部分，2.拟破断构件右侧部分，3.左侧端板，4.右侧端板，5.左侧双斜面钢头，6.右侧双斜面钢头，7.上部环箍，8.下部环箍，9.上部环箍夹板，10.下部环箍夹板，11.环箍圆轴，12.拉紧部件，13.橡皮绳连接件，14.橡皮绳，15.电动推杆，16.电动推杆固定件，17.推杆套件，18.钢拉锁，19.钢丝绳拉紧器，20.钢拉锁连接件。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

一、本装置的组成部分

图1-图6、图7(a)及图7(b)为本发明（含安装本装置的拟破断构件）各方向视图及示意图。本发明由3个主要组成部分：

① 两个双斜面钢头及钢头连接端板（图中左侧端板3，右侧端板4，左侧双斜面钢头5和右侧双斜面钢头6）；左侧双斜面钢头5与左侧端板3焊接连接，左侧端板3另一侧通过焊接或紧固件连接的方式固定于拟破断构件左侧部分1，右侧双斜面钢头6与右侧端板4焊接连接，右侧端板4另一侧通过焊接或紧固件连接的方式固定于拟破断构件左侧部分2；

② 剪刀夹环箍，由两个半圆形环箍（图中上部环箍7和下部环箍8）、与环箍对应的夹板（图中上部环箍夹板9和下部环箍夹板10）及转动轴（图中环箍圆轴11）构成；上部环箍7与下部环箍8均呈圆柱厚壳形状，并将内部加工成与两个双斜面钢头凹槽位置相对应的凸块；两个环箍一侧的外表面上为交替的圆柱套筒，将环箍圆轴11穿入圆柱套筒后可以使两个环箍绕环箍圆轴11自由转动；上部环箍7和下部环箍8在套筒的位置上分别焊接上部环箍夹板9和下部环箍夹板10，且上部环箍夹板9在下部环箍夹板10的下方，如此便能形成以环箍圆轴11为轴的类似“剪刀”的构造，即当使环箍夹板相互靠近时两个半圆形环箍同样相互靠近；

③ 安装于剪刀夹环箍夹板末端的拉紧部件（图中拉紧部件12），按试验实际情况不同可使用橡皮筋构造（图中橡皮绳14、橡皮绳连接件13）或“钢拉锁+电动推杆”构造（图中电动推杆15，电动推杆固定件16，推杆套件17，钢拉锁18，钢丝绳拉紧器19，钢拉锁连接件20）。当使用橡皮筋构造时，两个橡皮绳连接件13分别设置于上部环箍夹板9和下部环箍夹板10末端的相同位置上，橡皮绳14的两端分别连接两个橡皮绳连接件13；当使用“钢拉锁+电动推杆”构造时，电动推杆固定件16固定于上部环箍夹板9的末端，其上安装电动推杆15，电动推杆15中的推杆穿过电动推杆固定件16上的圆孔伸出，伸出部分下方与上半部为半圆柱形凹槽的推杆套件17进行半圆形表面接触配合，推杆套件17的下半部分为另一半圆柱形凹槽，用来固定钢拉锁18一端，钢拉锁18的另一端连接钢丝绳拉器19后固定在钢拉锁连接件20上，钢拉锁连接件20固定于下部环箍夹板10的末端。

二、本装置在未触发破断前、正常参与结构传力时工作原理及受力机制

图8-图11展示了本发明的具体使用方法、工作原理及受力机制。在本装置为触发破断前、作为结构构件的一部分参与结构传力时，由拟破断构件传至装置的轴力和弯矩在各组分之间的传递主要经过以下两个过程：

（1）剪刀夹环箍对双楔面钢头的径向压力提供了两者配合面之间的机械咬合力，抵抗由拟破断构件传至钢头上的轴力和弯矩

图8为双斜面钢头与剪刀夹环箍在钢头经过轴线截面上的剖视图，清楚的展示了两者是如何通过多个相互配合表面咬合在一起的。事实上图8仅为示意图，在未触发破断时钢头与两个半圆环箍是紧密咬合在一起的，其受力分析及计算简图见图9。

装置承受轴向力作用时，环箍对双斜面钢头上的径向压力将在环箍与双斜面钢头之间产生轴向的机械咬合力，以抵抗装置受到轴向力作用时的相对移动趋势。图9中上部的的小窗口是当装置处于受拉状态时受力分析，此时标识为                                                的斜面处于工作状态，单个钢头轴向的受力平衡方程为

                                            （1）

单个半圆环箍径向的受力平衡方程为

                                              （2）

图形和公式中，大写字母表示的力为合力，小写字母表示的力为单位弧度的力；其中：为环箍与钢头之间接触面的压力，而为接触面上单位弧度的压力。为环箍与钢头之间的摩擦力，为环箍与钢头之间的径向挤压，为钢头的斜面倾角。

环箍对钢头的约束为轴对称，故钢头径向受力自然平衡；装置两侧钢头拉力对环箍的作用为轴向的镜像对称，故环箍轴向受力自然平衡。

对（1）、（2）联合求解，得到装置抵抗轴力的环箍径向压力为

                                        （3）

当假定环箍与钢头之间无轴向摩擦力，即时，抵抗轴力所需的最小环箍径向压力为

                                                    （4）

上述分析为装置处于轴心受拉的情况。当该装置处于轴心受压状态时，参与传力的斜面为图中标识为的斜面。除此之外，受压时力学机理及求解过程与上述分析完全一致。

当拟破断构件同时承受弯矩时，两个半圆环箍对钢头的两端施加方向相反的压力，形成力偶抵抗钢头端部的弯矩。考虑剪刀夹环箍所受最不利弯矩，即当弯矩的方向正好使两个半圆环箍形成张开的趋势，即弯矩为出平面或入平面方向时，此时的工作状况见图9下部的小窗口。单个钢头的受力平衡方程为：

                                                        (5)

单个环箍的受力平衡方程为：

                                                         (6)

联合求解（5）、（6）得到抵抗弯矩的环箍径向压力为：

                                                           (7)

（2）拉紧部件以剪刀夹转动轴为支点通过杠杆作用提供环箍的径向压力

图10为这一过程的受力分析及计算简图。此时，综合考虑轴力与弯矩的作用，单个半圆环箍及所连夹板的平衡方程为

 （8）

联合求解（4）、（7）、(8)，得到拉紧部件所提供的拉力为

                                           （9）

对于结构框架柱等典型的初始破断构件，可以将本装置安装于框架柱中央的反弯点位置，进而大幅减小装置所受弯矩。对于空间结构，构件以轴向受力为主，弯矩影响同样不显著。因此，考虑弯矩与轴力产生等同的效果，将上式进行相对保守的简化：

                                                     （10）

式（10）给出的最小拉紧力为、及的函数，可通过增加环箍夹板长度和增大斜面倾角的方式有效地减小所需拉紧力。然而，考虑钢材之间无润滑静摩擦系数0.15时斜面存在的自锁角，并在考虑适当保险系数的情况下，建议斜面倾角最大取为。若取及，则

                                                          （11）

对于科研实验或实际结构采用较大缩尺比例进行的小模型试验，所需拉紧力仅通过橡皮绳等简单的构造便可实现（见图9）。而当进行足尺的或小比例缩尺的框架模型倒塌试验时，模型底层柱内轴压力达到十数吨至上百吨量级；由公式（11）知此时拉紧部件所需拉紧力也已达数百公斤乃至数吨，故此时需要使用钢拉锁和钢丝绳拉紧器实现有效的拉紧。在使用钢拉锁提供拉紧力时，须与电动推杆15配套使用。电动推杆过电动推杆固定件16安装于上部环箍夹板9末端，电动推杆固定件16可同时作为电动推杆的反力支承。电动推杆15中的推杆穿过电动推杆固定件16的圆孔伸出，伸出部分下方与一个上半部为半圆形的推杆套件17进行半圆形的表面接触配合。钢拉锁18下端绕过推杆套件下方的开槽，上端与钢丝绳拉紧器19连接；钢丝绳拉紧器用于拉紧钢拉锁，上端通过钢拉锁连接件20连接于下部环箍夹板10末端。

三、本装置触发破断时的工作原理及受力机制

当使用该试验装置触发破断时，可以通过人工间断橡皮绳或使电动推杆的推杆回缩，释放掉橡皮绳或钢拉锁内的拉力。则依次由式（12）、（8）、式（2）、式（1）知、、、及最终的、，装置不能承载。进而沿斜面（承受拉力）或斜面（承受压力）发生钢头与剪刀夹环箍的相对滑动，剪刀夹环箍脱离结构实现破断。

在使用钢拉锁提供拉紧力时，“钢拉锁+电动推杆”装置的受力计算简图见图11。钢拉锁内拉力直接施加在推杆套件上，其一部分转化为推杆套件与推杆之间的正压力，进而可以得到电动推杆运动所需的动力：

                                                （12）

式中为推杆与推杆套件之间的摩擦系数，为剪刀夹环箍夹板的倾角。推杆与推杆套件使用特氟龙涂层减小摩擦，此时摩擦系数可取，同时取，并联立求解方程（11）与（12），可得：

                                      （13）

可见，当破断装置所受轴力为100t时，仅需电动推杆提供150kg的推拉力即可。

使用“钢拉锁+电动推杆”提供拉紧力的优点不仅体现在电动推杆可以提供较大的拉紧力，而且当配合使用无线马达控制器的时候可以远距离控制装置，保证试验破坏触发时和后续试验过程中的人员安全。

Claims (1)

1.一种结构连续性倒塌实验结构构件初始破断通用装置，由左侧端板(3)、右侧端板(4)、左侧双斜面钢头(5)、右侧双斜面钢头(6)、上部环箍(7)、下部环箍(8)、上部环箍夹板(9)、下部环箍夹板(10)、环箍圆轴(11)和拉紧部件(12)组成，其特征在于：左侧双斜面钢头(5)通过左侧端板(3)与拟破断构件左侧部分(1)连接成一体，右侧双斜面钢头(6)通过右侧端板(4)与拟破断构件右侧部分(2)连接成一体，左侧双斜面钢头(5)与右侧双斜面钢头(6)之间留有适当空隙；上部环箍(7)与上部环箍夹板(9)焊接，下部环箍(8)与下部环箍夹板(10)焊接，上部环箍(7)和下部环箍(8)以环箍圆轴(11)为轴自由转动，形成类似“剪刀”的构造；上部环箍(7)与下部环箍(8)组合成封闭的环箍，环箍内部设有凸块，所述凸块与左侧双斜面钢头(5)和右侧双斜面钢头(6)上相应位置的卡槽进行咬合；上部环箍夹板(9)和下部环箍夹板(10)远离环箍圆轴(11)的一端之间设有拉紧部件(12)；所述拉紧部件(12)采用钢拉锁和电动推杆组合构造，所述钢拉锁和电动推杆组合构造由电动推杆(15)、电动推杆固定件(16)、推杆套件(17)、钢拉锁(18)、钢丝绳拉紧器(19)和钢拉锁连接件(20)组成，其中：电动推杆固定件(16)固定于上部环箍夹板(9)远离环箍圆轴(11)的一端上，其上安装电动推杆(15)，电动推杆(15)的推杆穿过电动推杆固定件(16)上的圆孔伸出，伸出部分下方与上半部为半圆柱形凹槽的推杆套件(17)进行半圆形表面接触配合，推杆套件(17)的下半部分为另一方向的半圆柱形凹槽，用来固定钢拉锁(18)一端，钢拉锁(18)另一端连接钢丝绳拉紧器(19)，固定在钢拉锁连接件(20)上，钢拉锁连接件(20)固定于下部环箍夹板(10)远离环箍圆轴(11)的一端上。